С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание

У планет-гигантов нет твердой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние.

Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причем, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а самое медленное вращение присуще околополярным областям. Такое необычное вращение обусловлено тем, что, как уже было сказано выше, планеты-гиганты – это жидкие планеты. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 суток.

Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Газообразная атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем. Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные поля планет земной группы.

Планеты-гиганты окружены естественными спутниками. У Сатурна открыто 18 спутников, у Урана – 21, у Юпитера – 17, у Нептуна – 8.

Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17 в.

Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых астероидами. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении. За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов.

Орбита последней планеты нашей солнечной системы - Плутона, проходит внутри этого внешнего пояса астероидов. В последнее время космологи склоняются к выводу, что Плутон не был сформирован вместе со всей солнечной системой, а был захвачен солнцем в последующее время его существования и перемещения где-то в глубинах галактики, также, как и внешний пояс астероидов. Плутон является частью парной планетной системы: он и его спутник Харон вращаются вокруг общего центра масс, находящегося за пределами тела Плутона. В этом году Международный Астрономический Союз принял решение считать Плутон не планетой нашей системы, а карликовой планетой, не имеющей достаточно массы для расчищения себе жизненного пространства от близколетящих астероидных тел – малых планет.

Похожи на малые планеты и кометы, состоящие из смеси замерзших газов и пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный ветер – давление света, предсказанное еще Максвеллом, отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы обладают малыми размерами и массами. Их орбиты могут быть самыми различными: иметь всевозможные эксцентриситеты, наклоны к плоскости эклиптики. Кометы могут двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении.

Солнце. Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в 332958 раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца, 5770 К. В глубине солнца температура достигает нескольких десятков миллионов градусов.

Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. Более 70 химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единое происхождения Солнца и планет солнечной системы.

Первая гипотеза об источниках энергии Солнца была высказана Гельмгольцем и Кельвином середине ХIX века. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионов лет, что противоречит современным данным, - более 5 млрд лет.

Другую гипотезу о возможных источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивные элементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность; звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца.

Самой вероятной гипотезой оказалась гипотеза синтеза элементов в результате ядерных реакций в недрах звезд.

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.

Вопросами происхождения планет Солнечной системы занимается наука космогония. Полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос наука не дает.

1. 
   Основная масса системы сосредоточена в Солнце – 99,8%, а основной момент количества движения – 98,5% принадлежит планетам.
   
2. 
   Плоскости орбит всех планет практически совпадают – плоскость эклиптики
   
3. 
   Все планеты, за исключением Венеры, и почти все спутники планет вращаются вокруг своей оси в одном направлении, совпадающем с направлением их движения по орбите.
   
4. 
   Эллиптические орбиты планет очень близки к окружностям.
   
5. 
   Планеты делятся на 2 группы – Земная группа и планеты-гиганты. В земной группе много тяжелых элементов, гиганты состоят из легких газов: Юпитер на 70% состоит из водорода – несостоявшаяся звезда.
   

Идею Канта поддержал Лаплас, однако, согласно его гипотезе планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты. Опыт Плато – вращающаяся капля масла в стакане воды и спирта отделяет от себя кольца, впоследствии формирующие вращающиеся капли.

Эта гипотеза получила название небулярной (от лат nebula – туманность) гипотезы Канта Лапласа. Поскольку формирование колец и планет происходило в условиях вращения туманности и действия центробежных сил, эта гипотеза называется еще и ротационной (лат. rotatio – вращение).

Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет почти в 50 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится приливная гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму сигарообразного выброса вещества Солнца, узкого по краям (Земная группа и Плутон) и широкого посередине (планеты-гиганты). Из этого выброса впоследствии и образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.

Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Планеты образовались путем холодной конденсации из газопылевого облака. Под воздействием излучения Солнца и гравитации произошла сепарация легких и тяжелых элементов – тяжелые в центре, легкие по краям – из них образовались планеты-гиганты. Шмидт считал, что кометы – остатки вещества, из которого возникли планеты-гиганты, а метеориты и астероиды – остатки строительного материала внутренних планет.

По Шмидту Земля была первоначально холодная. В начале 20 в. считали, что земля была огненно-жидкая. Сейчас считается, что сразу после образования Земля была частично расплавленная, ее температура составляла около 1500 градусов. Источники нагрева – ударная энергия, гравитационное сжатие, радиоактивный распад. На первых этапах шла гравитационная сепарация на тяжелое железное ядро и легкие породы.

Сейчас выяснено, что астероиды – не остатки строительного материала, - они образовались из жидкого вещества некогда существовавшей планеты, разрушившейся в результате гравитационного притяжения Юпитера. Метеориты также имеют планетарное происхождение.

В настоящее время ученые склоняются к различным вариантам небулярной гипотезы. Получены интересные результаты на численных моделях с использованием мощных ЭВМ. Ожидается, что новый свет на загадку образования Солнечной системы прольют дальнейшие исследования планет земной группы и планет-гигантов с помощью автоматических космических станций.

Более 90% видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Однако процессы эволюции звезд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно. Начальной точкой в создании теории строения звезд и процессов, протекающих в них, можно считать 1926 год - год выхода в свет книги А. Эддингтона «Внутреннее строение звезд».

· масса,
· радиус,

Одна из основных характеристик звезды - светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до нее.

Очень важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.

В 1900 г. американский астроном Пикеринг ввел понятие спектрального класса звезды. Спектральные классы звезд обозначаются буквами  латинского алфавита O, В, А, F, G, К, М Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Таким образом, Солнце, по сравнению с классами O, В, А, F имеет «небольшую» температуру, но в своем классе G – оно является довольно горячей звездой.  По цвету звезды можно оценить ее температуру. Так, звезды красного цвета (М) имеют температуру поверхности около 4000 К.  Оранжевые звезды имеют более высокую температуру. Желтое солнце (G) нагрето уже до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тыс. К видятся нам белыми и голубыми. Температуры звезд спектрального класса О достигают 40000 - 50000 К. Таким образом, спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру.

Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 Мс, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца.

Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция – термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка 10¹³К). При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки и протоны (ядра водорода), благодаря так называемому туннельному эффекту, сталкивается с другим протоном, преодолевая силы кулоновского отталкивания – потенциальный энергетический барьер, окружающий его. При столкновении один из протонов превращается в нейтрон и, таким образом, рождается ядро тяжелого водорода – дейтерия с высвобождением позитрона е⁺ и нейтрино :

Н¹ + Н¹  D² + e⁺ +  2.2 МЭв

Позитрон взаимодействует с электроном – происходит аннигиляция:

e⁺ +e^-2 2.1 МЭв

Далее, ядро дейтерия, соединяясь с другим протоном, образует ядро легкого изотопа гелия и гамма квант γ:

D² + H¹  He³ + γ . 5.5 МЭв

Окончательная реакция – слияние ядер легкого гелия и высвобождение двух протонов:

Не³ +Не³  Не⁴ + Н¹ + Н¹ +  12.8 МЭв
В итоге при образовании одного ядра гелия выделяется 32.4 МЭв! Это огромная энергия. Естественно, при образовании ядра гелия возникает дефект массы – именно часть массы исходных ядер водорода превращается в энергию.

Водород постепенно выгорает и давление внутри звезды повышается – звезда резко расширяется (Солнце расширится так, что поглотит орбиты всех планет) и возникает красный гигант. Огромная атмосфера не обеспечивает отдачу энергии, температура в ядре звезды повышается, начинается синтез углерода. He+He+He  C

И более тяжелых – вплоть до Fe. Далее железа нуклеосинтез в ядрах звезд не идет. Ядро звезды разогревается и отбрасывает атмосферу – возникает белый карлик – это, фактически, смерть звезды. Далее она превращается в красный карлик и черный карлик.
Галактики и метагалактика

Понятие «галактика» в современном языке обозначает огромную звездную систему. Происходит оно от греческого слова «молоко, молочный» и было введено в обиход для обозначения нашей звездной системы. Она, как известно, видится нам как тянущаяся через все небо светлая полоса с молочным оттенком и названная поэтому «Млечный Путь». Именно в Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд нашей Галактики, вот почему часто говорят: наша Галактика — это Млечный Путь. Число звезд в ней – более 200 миллиардов, т.е. порядка триллиона (10¹²). Она имеет форму диска с утолщением в центре.

Диаметр самого диска, т.е. диаметр нашей Галактики равен приблизительно 10²¹м -100 тыс световых лет, масса Галактики ~ 10⁴² кг. Рукава Галактики имеют спиральную форму, т.е. расходятся по спиралям от ядра. В одном из рукавов на расстоянии около 3´10²⁰ м от ядра находится Солнце, расположенное вблизи плоскости симметрии. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), есть двойные звезды и целые звездные скопления, движущиеся как единое целое (например, звездное скопление Плеяды). Их открыто в настоящее время более 1000. Шаровые скопления содержат красные и желтые звезды-гиганты и сверхгиганты. Кроме этого, в галактике есть туманности, состоящие в основном из газа и пыли. Межзвездное пространство заполнено разреженным межзвездным газом. Галактика вращается вокруг своего центра. Линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 250 км/с. Полный оборот по своей орбите Солнце делает примерно за 200 миллионов лет (2 • 10⁸ лет). Этот период называется галактическим годом.

В начале 20-го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и другие, также состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. Одна из ближайших к нам галактик — Туманность Андромеды — находится от нас на расстоянии, примерно 2,5 • 10²² м, - приблизительно 2.5 миллиона световых лет, ее диаметр равен 1.3 диаметра Млечного Пути, а масса практически равна массе нашей Галактики. По внешнему виду все галактики делятся на 3 основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, т.е. звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядка 10²⁵ – 10²⁶ м. Они находятся на периферии видимой Вселенной. К настоящему времени их насчитывается более тысячи. Квазары излучают огромное количество энергии. Так, квазизвездный объект размером с Солнечную систему может излучать в 10 раз больше энергии, чем Млечный Путь - наша галактика. По современным представлениям квазары -  это активные ядра далеких галактик или сами эти галактики, которые мы видим "сбоку". Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями: они состоят из сотен и тысяч галактик.
Эволюция галактик. Согласно современным представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения (собственной гравитации) оно сжималось. В ходе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Таким образом, подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму, образовав гало. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.
Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик.

Математически закон Хаббла записывается следующим образом:

где  V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с×Мпк).

Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются.

Отметим некоторые особенности расширения Метагалактики.

1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются (этому препятствуют силы тяготения). Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной, т.е. Метагалактики.

2. Не существует центра, от которого происходит расширение. 

3. Постоянная Хаббла в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной, но зависит от времени (со временем убывает).

Время t = 1/Н, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной.

Открытия конца 70-х годов 20-го в. показали, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ своего рода ячеек, т.е. Вселенная имеет ячеистую (сетчатую, пористую) структуру. Пространственной моделью может служить кусок пемзы. В небольших масштабах вещество во Вселенной распределено неравномерно. В больших же масштабах она однородна и изотропна.

Следует сказать, что все логические парадоксы возникают из-за нашего человеческого понятия бесконечности. Достаточно вспомнить древнегреческие Апории Зенона может ли Ахиллесс догнать черепаху, полет стрелы и пр. В природе же нет ничего бесконечного, бесконечность существует только в математике, как некая человеком созданная модель. И надо всегда помнить, что это только модель, до конца не применимая к реальности, иначе возникают логические сбои и парадоксы.

Основным доказательством стационарности Вселенной была видимая неизменность звездного неба. Даже великий А. Эйнштейн, создавая в начале 20 в. общую теорию относительности, был уверен в стационарности Вселенной.

В 1922 г. советский физик-теоретик Л.А. Фридман, анализируя космологические уравнения А. Эйнштейна, пришел к выводу, что они допускают нестационарность Вселенной (расширение или сжатие). Фридман проанализировал уравнения Эйнштейна для трех случаев: постоянно расширяющаяся Вселенная с плоским Евклидовым пространством, пульсирующая Вселенная со сферическим пространством – замкнутый, сферический мир, и постоянно расширяющаяся гиперболическая Вселенная – гиперболический мир. Во всех трех случаях уравнения Эйнштейна работали. Выбор варианта определяется величиной средней плотности материи во Вселенной относительно ее критического значения. По современным представлениям, r_кр ~ 10^-26 кг/м. Если средняя плотность материи во Вселенной r < r_кр, то это соответствует расширяющейся (открытой) Вселенной. При  r > r_кр  галактики будут сбегаться, что соответствует сжимающейся (закрытой) Вселенной. Средняя плотность видимой материи оценивается равной 10^-28 кг/м, что означает, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Но в последнее десятилетие физики обнаружили, что видимая материя составляет только малую толику вещества Вселенной. Нейтрино, имеющего массу покоя, во Вселенной находится в 10 раз больше, чем видимого вещества. Более того, по современным представлениям, около 90% материи приходится на так называемую темную материю и темную энергию. Темная материя видна только по ее мощному гравитационному воздействию – она формирует так называемые гравитационные линзы, преломляющие свет далеких галактик и звездных скоплений. Темная материя, скорее всего представляет из себя неизвестные нам частицы массой 100-1000 масс протона, образовавшиеся на ранних стадиях формирования Вселенной. Темная энергия, по современным представлениям, равномерно рассеяна во всем пространстве и обладает антигравитационными свойствами. Не исключено, что скоро в физике появится новое сверхслабое, антигравитационное фундаментальное взаимодействие. Таким образом, масса Вселенной вполне достаточна для модели пульсирующей, сферической и замкнутой Вселенной. В этом случае, т.е. в закрытой Вселенной расширение рано или поздно сменится сжатием и галактики станут сбегаться. Но Вселенная все равно останется безграничной, но пространственно конечной, подобно сфере.